一種塑料激光焊接設(shè)備的研制
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于 海，李何悅
（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）
摘要：介紹了一種新型的焊接設(shè)備}，利用激光透射和熱熔原理，以自動(dòng)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為載體，將激光技術(shù)和自動(dòng)化裝備結(jié)合為一體。與傳統(tǒng)的塑料焊接設(shè)備相比，具有自動(dòng)化水平高、生產(chǎn)效率高、焊后變形小、外表美觀等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備的研制成功代表著我國塑料焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域在逐步擴(kuò)大，塑料焊接設(shè)備在不斷創(chuàng)新，為我國塑料焊接設(shè)備的發(fā)展提供了新的思路。
關(guān)鍵詞：塑料激光焊接；焊接設(shè)備；研制
中圖分類號(hào)：TG43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
0 引言
塑料激光焊接技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊，可廣泛應(yīng)用在航天、汽車、包裝、醫(yī)療器械、各類電子元器件及各類生活用品等領(lǐng)域。但在我國，這方面的技術(shù)尚處在起步階段。利用激光來焊接塑料不但可以克服傳統(tǒng)塑料焊接工藝存在的缺點(diǎn)，而且能夠達(dá)到理想的焊接質(zhì)量和外表美觀的效果，隨著激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用成本的降低，利用激光焊接塑料零件在制造業(yè)領(lǐng)域?qū)⒊蔀橐环N趨勢(shì)。目前，國內(nèi)企業(yè)在塑料激光焊接方面大都進(jìn)口國外的設(shè)備，所以自主研發(fā)塑料激光焊接設(shè)備對(duì)我國加工制造業(yè)有著深遠(yuǎn)的意義。本文主要介紹一款塑料激光焊接設(shè)備，它是一臺(tái)將激光焊接技術(shù)和自動(dòng)化裝備相結(jié)合的塑料焊接機(jī)，其不但自動(dòng)化水平高、生產(chǎn)批量大，而且可以焊接外形復(fù)雜的塑料零件，具有低碳環(huán)保、聚焦光點(diǎn)小、定位精度高、可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量等特點(diǎn)。
1 塑料激光焊接機(jī)工作原理
該焊接機(jī)利用激光透射原理，將兩個(gè)塑料零件進(jìn)行非接觸焊接。要求條件就是兩零件之一能夠透過激光，而另一個(gè)零件必須能吸收激光，激光焊接原理如圖1所示。在焊接夾具將兩個(gè)塑料零件夾緊的條件下，激光束3穿過能夠透光的零件l，照射在能夠吸收激光的零件2表面時(shí)，產(chǎn)生瞬間高溫，零件2表面融化，并與零件1表面粘結(jié)，然后在激光束3移開后瞬間凝固，使兩個(gè)零件表面結(jié)合在一起。由于塑料零件為注塑件，具有尺寸穩(wěn)定性差、易變形的特點(diǎn)，故每個(gè)零件尺寸都有一定偏差。為了使兩個(gè)塑料零件的焊接面能夠無縫隙地接合在一起，就必須用特殊的夾具將兩個(gè)零件邊緣牢固地夾緊，這樣焊后質(zhì)量較好。
2 塑料激光焊接機(jī)系統(tǒng)組成
從結(jié)構(gòu)上來看，該塑料激光焊接機(jī)主要包括焊接系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和PID及在線檢測(cè)5個(gè)部分。其中，電氣控制系統(tǒng)通過各種軟件對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行控制，而所有系統(tǒng)都以焊接系統(tǒng)為載體。
2.1焊接系統(tǒng)
整個(gè)焊接系統(tǒng)設(shè)置了預(yù)擋停、主擋停、焊接、廢料擋停等4個(gè)工位。焊接包括夾具定位、舉升、壓緊、焊接、釋放5個(gè)過程。整個(gè)激光焊接過程如圖2所示。
預(yù)擋停工位是當(dāng)零件上料時(shí)為保證主擋停工位順暢而設(shè)置的工位；主擋停工位是轉(zhuǎn)存工位，是連接3個(gè)工位的橋梁，同時(shí)起到定位作用；焊接工位以主擋停工位為基準(zhǔn)，是整套設(shè)備的核心，其各個(gè)動(dòng)作由傳感器提供信號(hào)，通過各軟件程序控制；廢料擋停工位的作用是在排料時(shí)對(duì)零件進(jìn)行合格檢測(cè)，篩選出不合格品。激光焊接機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
整個(gè)焊接系統(tǒng)的工作過程均由各種程序進(jìn)行控制，每個(gè)程序都是由設(shè)備的內(nèi)外部狀態(tài)來決定的，當(dāng)焊接工位上裝夾了某一個(gè)夾具，則整個(gè)系統(tǒng)的控制程序就已經(jīng)設(shè)定完畢（即只能加工與該夾具對(duì)應(yīng)的一種零件），如果在焊接過程中內(nèi)外部狀態(tài)與程序相矛盾，則該焊接系統(tǒng)將停止工作，起到保護(hù)作用，同時(shí)做出報(bào)警提示。內(nèi)外部狀態(tài)包括：上下夾具是否一致；夾具與零件是否一致；夾具上是否有零件；夾具是否定位夾緊等。每種狀態(tài)是由各工位上的接近開關(guān)或相應(yīng)的傳感器來識(shí)別，其目的是確保各工位選擇正確的零件及放置姿態(tài)正確后進(jìn)行下一步動(dòng)作或焊接。
2.2激光系統(tǒng)
該系統(tǒng)是激光焊接機(jī)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)焊接功能的關(guān)鍵設(shè)備。它主要由激光發(fā)射器、光纖以及激光頭等組成。激光發(fā)射器內(nèi)部有產(chǎn)生激光的模塊，通過光纖導(dǎo)入激光頭，從而使其發(fā)射激光。在焊接時(shí)．兩坐標(biāo)機(jī)器人載著激光頭運(yùn)動(dòng)，完成焊接軌跡。
2.3 空氣凈化系統(tǒng)
在焊接過程中難免會(huì)產(chǎn)生一些氣味，為了達(dá)到環(huán)保的目的，配備空氣凈化系統(tǒng)，過濾空氣。
2.4 電氣控制系統(tǒng)
控制核心采用SIEMENS S7-300 PLC，完成對(duì)兩坐標(biāo)機(jī)器人、激光器、傳輸帶的控制，PLC具備Profibus DP接口。
人機(jī)界面采用觸摸屏，工作站設(shè)有報(bào)警燈，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。在系統(tǒng)總進(jìn)氣口裝有壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)壓力，如果氣體壓力小于設(shè)備正常工作時(shí)需要的氣體壓力值，控制系統(tǒng)停止設(shè)備工作并報(bào)警�？刂葡到y(tǒng)組成如圖4所示。
2.5PID及在線檢測(cè)
在PID控制器中，比例環(huán)節(jié)起到了及時(shí)準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生控制指令，使偏差向減小的方向變化；積分的作用主要是確保被控量在穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)設(shè)定值的無靜差跟蹤；微分環(huán)節(jié)在提高閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)的快速性方面起到積極的作用。由系統(tǒng)設(shè)定值和系統(tǒng)實(shí)際輸出值產(chǎn)生出控制偏差，通過對(duì)其進(jìn)行比例、積分和微分的線性運(yùn)算來產(chǎn)生控制量，進(jìn)而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制分析。在該焊接機(jī)的控制系統(tǒng)中應(yīng)用的離散形式表達(dá)式如下：
其中：k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，…；u（k）為第k次采樣控制器輸出；e(k)為第k次采樣輸入；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。
在上述控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)焊接質(zhì)量檢測(cè)軟件，在線檢測(cè)焊接質(zhì)量，并通過焊接過程中采集的溫度、功率以及能量等參數(shù)，繪制焊接曲線圖，如圖5所示。
圖5中橫坐標(biāo)為時(shí)間，上面曲線代表溫度變化，下面曲線代表功率變化。由圖5可以看出，當(dāng)溫度設(shè)定在260℃，Kp=1 750，Ki=100時(shí)，大部分區(qū)間段曲線基本平穩(wěn)，實(shí)踐證明該曲線是正常焊接時(shí)的反饋；但是，圖5中劇烈波動(dòng)的部分溫度曲線偏低，而功率曲線偏高，說明該段的焊接質(zhì)量不好。由于實(shí)際的焊接速度是勻速的，因此可以根據(jù)圖示的位置找到工件對(duì)應(yīng)的焊接無效的位置。
3 結(jié)語
通過上述可以看出，該焊接機(jī)以自動(dòng)化生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，將激光技術(shù)應(yīng)用在塑料加工領(lǐng)域中，為塑料焊接行業(yè)提供了新思路；將塑料激光焊接思路與自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備相結(jié)合，為我國激光焊接塑料成套設(shè)備開拓了新的發(fā)展方向。該焊接機(jī)低碳、環(huán)保、勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)效率高，適用于產(chǎn)業(yè)化集群的大批量生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本。它的推廣不僅可以為我國激光應(yīng)用領(lǐng)域提供一個(gè)新的發(fā)展方向，更重要的是使我國塑料加工行業(yè)進(jìn)入了新的征程。
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Development of A Plastic Laser Welding Equipment
YU Hai, LI He-yue
(Shenyang Siasun Robot &- Automation Co. , Ltd. , Shenyang 110168, China)
Abstract: This paper introduces the design of a new type of welding equipment, which uses laser and hot melt principle, takes auto-matic transmission mechanism as the carrier, integrating the laser technology and automation equipment. Compared with the tradi-tional plastic welding equipment, it has high level of automation, high production efficiency, small welding deformation, and beauti-ful appearance.
Key words: laser welding of plastics; welding equipment; development
